基于MHC调控原理免疫算法研究及其在隧道工程中的应用

论文摘要

免疫理论研究的深入和智能技术的发展，为产生新的智能算法提供了良好的研究基础；而随着地下空间的开发新技术不断出现带来的新的挑战，又为智能计算提供了广阔的应用舞台。本文借鉴免疫系统中MHC(主要组织相容复合体)调控原理，从工程需求出发，进行了多角度的深入研究，提出了相关的智能算法，成功地在盾构法隧道工程的实际施工中得到应用。本文回顾了有关免疫系统的主要研究成果以及人工免疫系统理论的国内外研究现状，深入理解了MHC的免疫调控原理。在分析了目前盾构法隧道施工中主要遇到的问题与原因以后，提出了学术研究与工程研究相互结合和渗透的新设计理念，开展了组合优化、数值优化、公式发现和自动控制等多方面的研究。第二章基于MHC免疫调控原理，提出了一个基于MHC调控的免疫组合优化的新算法IOAMHC。而第三章将MHC调控的思想应用到了数值优化算法的设计中，并结合均匀设计理念，提出了一种基于MHC调节的免疫进化新算法MHCIEA。这两个算法利用了MHC的自调节特性，指导抗体进化。与其他的优化算法相比，由于优化搜索思想不同，优化速度得到了提高，优化能力得到了加强。通过对基准问题的计算，充分验证了算法在性能上的优势，同时算法也通过了实际隧道施工的检验，取得了良好的指导作用。第四章提出了基于MHC调控公式发现算法IFDA，扩大了免疫算法的应用领域，为免疫算法的发展提供了新的途径。IFDA成功地运用在双圆盾构地面沉降的横向和纵向公式发现方面，通过与历史的工程数据比对，证明通过该算法得到的地面沉降公式对工程数据具有很好的拟合度，充分反映了双圆盾构的地面沉降规律。第五章针对隧道和软土地基多种物理对象和施工过程控制问题，借鉴生物免疫系统面临不确定的外来抗原呈现出的超强识别能力，创造性地提出了一种基于免疫系统模型的多模型控制新算法IMMC。该算法解决了非线性、不确定复杂系统控制困难的问题。通过计算机仿真实验，表明算法在系统发生突变时具有良好的适应性能。同时，该算法在双圆盾构法隧道施工对地面沉降控制中，取得了良好的控制效果。IMMC算法是生物学理论、控制理论以及计算机技术成果多学科交叉应用的成果。在本文研究成果的指导下完成的“盾构法隧道远程智能系统”和“盾构法隧道施工管片(错缝)拼装选型智能系统”被应用于上海地铁和越江隧道等近三十项工程，取得了显著的社会效益、环境效益和经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 基于MHC调控的免疫应答原理
• 1.1.1 生物免疫系统简介
• 1.1.2 生物免疫基本理论
• 1.1.3 MHC基本概念
• 1.1.4 MHC对免疫应答的调控作用
• 1.2 人工免疫系统的研究概况
• 1.2.1 人工免疫系统基本数学模型
• 1.2.2 人工免疫网络模型
• 1.2.3 免疫算法
• 1.2.4 人工免疫系统主要应用
• 1.2.5 人工免疫系统发展趋势
• 1.3 盾构法隧道施工决策研究概况
• 1.3.1 盾构法隧道施工决策主要存在问题
• 1.3.2 国内外研究现状
• 1.4 本文研究思路与内容
• 1.4.1 研究背景与思路
• 1.4.2 论文结构和内容
• 第二章 基于MHC调控组合优化算法的研究与应用
• 2.1 组合优化问题研究现状
• 2.1.1 组合优化问题
• 2.1.2 主要研究方法
• 2.2 IOAMHC算法设计
• 2.2.1 IOAMHC算法的基本思想
• 2.2.2 IOAMHC算法的基本定义
• 2.2.3 IOAMHC算法的基本流程
• 2.2.4 IOAMHC算法的自适应调节
• 2.3 实验与结果
• 2.3.1 IOAMHC算法的随机性对优化结果的影响
• 2.3.2 参数对IOAMHC算法性能的影响
• 2.3.3 IOAMHC算法与其它算法比较
• 2.4 IOAMHC算法在管片排列优化中的应用
• 2.4.1 工程背景
• 2.4.2 坐标计算
• 2.4.3 管片排列优化算法实现
• 2.4.4 工程应用效果
• 2.5 小结
• 第三章 基于MHC调控数值优化算法的研究与应用
• 3.1 数值优化问题综述
• 3.1.1 数值优化问题介绍
• 3.1.2 主要研究方法
• 3.2 MHCIEA算法基本思想与实现
• 3.2.1 MHCIEA算法的基本思想
• 3.2.2 MHCIEA算法的基本定义
• 3.2.3 MHCIEA算法的实现过程
• 3.3 MHCIEA求解基准函数优化问题求解
• 3.3.1 测试函数
• 3.3.2 实验参数设置
• 3.3.3 实验结果
• 3.3.4 结果分析
• 3.4 MHCIEA在地面沉降控制参数优化中的应用
• 3.4.1 地面沉降控制模型
• 3.4.2 MHCIEA对地面沉降控制参数的优化
• 3.4.3 工程应用效果
• 3.5 小结
• 第四章 基于MHC调控公式发现算法的研究与应用
• 4.1 公式发现研究综述
• 4.1.1 公式发现问题介绍
• 4.1.2 主要研究方法
• 4.1.3 主要研究难点
• 4.2 基于MHC调控公式发现算法IFDA
• 4.2.1 抗体
• 4.2.2 MHC集合
• 4.2.3 算子描述
• 4.2.4 算法实现
• 4.3 基于测试数据的公式发现问题求解
• 4.3.1 测试数据
• 4.3.2 实验设置
• 4.3.3 实验结果
• 4.3.4 结果分析
• 4.4 IFDA在地面沉降规律发现上的应用
• 4.4.1 工程背景
• 4.4.2 地面沉降公式发现
• 4.4.3 公式效果
• 4.5 小结
• 第五章 基于MHC免疫原理多模型控制研究与应用
• 5.1 多模型控制研究综述
• 5.1.1 多模型控制问题介绍
• 5.1.2 主要研究方法
• 5.1.3 研究难点与方向
• 5.2 基于MHC免疫原理的多模型控制IMMC
• 5.2.1 多模型控制基本思想
• 5.2.2 算法基本定义
• 5.2.3 算法实现过程
• 5.3 IMMC在双圆盾构施工沉降控制中的应用
• 5.3.1 双圆盾构施工沉降系统模型
• 5.3.2 IMMC在双圆盾构施工沉降控制中的仿真
• 5.3.3 IMMC在实际工程中的应用
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要工作
• 6.1.1 基础研究
• 6.1.2 工程应用
• 6.1.3 创新点
• 6.2 进一步工作
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间所作的项目
• 致谢